鄭敏敏 林暉

摘?要：“醫(yī)學(xué)圖像處理”課程旨在讓學(xué)生掌握處理生物醫(yī)學(xué)圖像的基本原理和方法，并能應(yīng)用醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)開(kāi)發(fā)醫(yī)學(xué)圖像處理系統(tǒng)，進(jìn)行醫(yī)療分析和設(shè)計(jì)。本文在生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)背景下，圍繞醫(yī)學(xué)圖像處理的課程目標(biāo)，并結(jié)合實(shí)際教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，從理論教學(xué)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)和考核方式三個(gè)方面探討了醫(yī)學(xué)圖像處理的教學(xué)改革。實(shí)踐表明，通過(guò)這些改革措施，本專業(yè)學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)得到有效提高。

關(guān)鍵詞：生物醫(yī)學(xué)工程；醫(yī)學(xué)圖像處理；理論教學(xué)設(shè)計(jì)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)；考核方式

Abstract：The course of medical image processing aims to enable students to master the basic principles and methods of biomedical image processing，and to develop medical image processing systems using medical image processing technology for medical analysis and design.Under the background of Biomedical Engineering，this paper discusses the teaching reform of medical image processing from three aspects：theoretical teaching design，experimental teaching design and assessment methods，centering on the curriculum objectives of medical image processing and combining with practical teaching experience.Practice shows that through these reform measures，the professional quality of students in this major has been effectively improved.

Keywords：Biomedical Engineering；Medical Image Processing；Theory Teaching Design；Experimental Teaching Design；Assessment method

1 背景介紹

生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)是一門理工醫(yī)相結(jié)合的交叉學(xué)科，它是應(yīng)用工程技術(shù)的理論和方法，研究解決醫(yī)學(xué)疾病的預(yù)防與治療，保障人民健康的一門新興的邊緣科學(xué)［1-2］。近幾年該學(xué)科發(fā)展快速，開(kāi)辦生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的綜合性高校越來(lái)越多，其中不乏地方性綜合大學(xué)?！搬t(yī)學(xué)圖像處理”作為該專業(yè)的一門核心專業(yè)課，在培養(yǎng)工程技術(shù)基礎(chǔ)好、醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)扎實(shí)、具備醫(yī)學(xué)與工程技術(shù)結(jié)合能力的生物醫(yī)學(xué)工程高級(jí)技術(shù)人才中發(fā)揮了重要作用［3］。

醫(yī)學(xué)圖像處理是一門交叉性學(xué)科，它綜合了數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和醫(yī)學(xué)影像學(xué)等多門跨專業(yè)學(xué)科［4］。各種醫(yī)學(xué)影像設(shè)備在醫(yī)療系統(tǒng)中的作用越來(lái)越重要，其本質(zhì)原因是醫(yī)學(xué)圖像中所包含的診療信息極其豐富，為醫(yī)生的診斷和治療提供了客觀依據(jù)，而醫(yī)學(xué)圖像處理成為整個(gè)醫(yī)療系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。作為生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的核心課程，醫(yī)學(xué)圖像處理將數(shù)字圖像處理和現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像相結(jié)合，利用數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行處理，而數(shù)字圖像處理涉及大量與數(shù)學(xué)有關(guān)的內(nèi)容、理論性較強(qiáng)，同時(shí)又具有較強(qiáng)的實(shí)踐性，只有在編程實(shí)踐過(guò)程中才能加深對(duì)所學(xué)理論知識(shí)的理解和掌握，對(duì)于工科專業(yè)的學(xué)生而言，這種課程的學(xué)習(xí)難度較大。傳統(tǒng)的教學(xué)方式偏重于理論教學(xué)，較為枯燥，不能激發(fā)學(xué)生對(duì)本課程的興趣；課內(nèi)實(shí)驗(yàn)大部分是與實(shí)際醫(yī)學(xué)圖像處理關(guān)聯(lián)性不大的基礎(chǔ)性、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，不能達(dá)到讓學(xué)生了解所學(xué)理論知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用的效果。針對(duì)上述問(wèn)題，本文從理論教學(xué)設(shè)計(jì)、實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)和考核方式三個(gè)方面分別介紹在教學(xué)過(guò)程中所進(jìn)行的嘗試，實(shí)現(xiàn)改善教學(xué)效果的目的。

2 理論教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 醫(yī)工結(jié)合

目前，各種醫(yī)療影像設(shè)備對(duì)醫(yī)學(xué)圖像的主流存儲(chǔ)格式基本上是DICOM（Digital Imaging Communications in Medicine），而非常見(jiàn)的JPEG（Joint Photographic Experts Group）、BMP（Bitmap）和PNG（Portable Network Graphics）等圖像格式。因此本課程的理論教學(xué)部分，將圖像處理技術(shù)與“醫(yī)學(xué)”背景相結(jié)合，注重培養(yǎng)具備醫(yī)學(xué)與工程技術(shù)結(jié)合能力的生物醫(yī)學(xué)工程高級(jí)技術(shù)人才［6］。首先，讓學(xué)生了解醫(yī)學(xué)圖像處理中幾個(gè)重要的基礎(chǔ)技術(shù)，了解最常用的DICOM圖像編碼的技術(shù)方法；接著了解醫(yī)學(xué)圖像的預(yù)處理和增強(qiáng)技術(shù)；在獲得高質(zhì)量醫(yī)學(xué)圖像基礎(chǔ)上，理解圖像分割原理和重要的圖像分割技術(shù)，并掌握基本的圖像分割技術(shù)，以及醫(yī)學(xué)圖像中幾種器官分割技術(shù)；理解圖像配準(zhǔn)技術(shù)，初步掌握?qǐng)D像配準(zhǔn)中的基本技術(shù)；對(duì)二維圖像進(jìn)行三維重構(gòu)，了解三維重構(gòu)的重要技術(shù)，掌握三維重構(gòu)的方法；了解重構(gòu)后的人體器官可視化技術(shù)；了解基于三維醫(yī)學(xué)圖像的設(shè)計(jì)技術(shù)，并和3D醫(yī)學(xué)打印技術(shù)聯(lián)系起來(lái)，了解3D醫(yī)學(xué)打印中的醫(yī)學(xué)圖像，以及相關(guān)人體系統(tǒng)以及手術(shù)治療中的工程分析方法。通過(guò)將圖像處理技術(shù)與實(shí)際醫(yī)學(xué)圖像處理過(guò)程相結(jié)合，學(xué)生能夠真切認(rèn)識(shí)到課堂上所學(xué)的內(nèi)容是如何應(yīng)用到實(shí)際，并達(dá)到了何種效果，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2.2 線上線下結(jié)合

隨著信息的爆炸式增長(zhǎng)，課堂上有限的時(shí)間內(nèi)能呈現(xiàn)的內(nèi)容非常有限。因此除了向?qū)W生提供課件作為主要的學(xué)習(xí)資料外，本課程在教學(xué)過(guò)程中還充分利用發(fā)達(dá)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將網(wǎng)絡(luò)中優(yōu)質(zhì)的學(xué)習(xí)資源推薦給學(xué)生，供學(xué)生在課后進(jìn)一步學(xué)習(xí)本課程較為前沿的知識(shí)。與此同時(shí)，本課程根據(jù)相應(yīng)章節(jié)的知識(shí)重難點(diǎn)設(shè)置多個(gè)設(shè)計(jì)選題供學(xué)生選擇，學(xué)生自行分組并以組為單位選擇感興趣的設(shè)計(jì)選題，在規(guī)定期限內(nèi)分工完成審題、查閱文獻(xiàn)、方案設(shè)計(jì)、仿真調(diào)試等圖像處理的各個(gè)環(huán)節(jié)，并在課堂上將小組的合作成果展示出來(lái)，讓學(xué)生在實(shí)際操作中將所學(xué)知識(shí)融會(huì)貫通并學(xué)以致用。在此過(guò)程中，設(shè)置了分組任務(wù)互評(píng)環(huán)節(jié)，使學(xué)生了解到其他組的完成情況，在給其他組評(píng)分的過(guò)程中，能夠互相學(xué)習(xí)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，彼此促進(jìn)，進(jìn)一步提升學(xué)習(xí)效果，下表列出了其中一次分組互評(píng)任務(wù)的評(píng)分指標(biāo)。除此之外，在課堂上也會(huì)設(shè)置相關(guān)的測(cè)試題檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)線上學(xué)習(xí)資源的學(xué)習(xí)效果，督促學(xué)生學(xué)習(xí)。本質(zhì)上，就是以線上線下混合式的教學(xué)方式來(lái)引導(dǎo)學(xué)生涉獵更多的專業(yè)知識(shí)［7-8］。

2.3 中英結(jié)合

圖像處理領(lǐng)域中各種專業(yè)術(shù)語(yǔ)及專業(yè)詞匯大部分是從國(guó)外翻譯的，讓學(xué)生清楚所學(xué)知識(shí)的專業(yè)英語(yǔ)表述對(duì)學(xué)生畢業(yè)后走上工作崗位并盡快熟悉工作內(nèi)容非常重要。同時(shí)，學(xué)科前沿和最新技術(shù)大部分也是以英文的形式在全球傳播。目前，國(guó)內(nèi)很多高校也都在積極推進(jìn)雙語(yǔ)教學(xué)［9-11］。因此，本課程在教學(xué)過(guò)程中會(huì)要求學(xué)生掌握專業(yè)詞匯的英文單詞，同時(shí)考慮到不同學(xué)生的英語(yǔ)水平存在差異，在教學(xué)過(guò)程中循序漸進(jìn)地增加英文詞匯所占的教學(xué)比重，在保障教學(xué)質(zhì)量的前提下使學(xué)生逐漸接觸國(guó)際前沿專業(yè)技術(shù)理論和發(fā)展趨勢(shì)。在向?qū)W生推薦線上學(xué)習(xí)資料的過(guò)程中，也會(huì)注重英語(yǔ)視頻、英文文獻(xiàn)和英文原版教材的推送，使學(xué)生盡可能全方位接觸英文學(xué)習(xí)環(huán)境，提高學(xué)生熟練進(jìn)行英文學(xué)習(xí)的能力。對(duì)課后作業(yè)和課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，也會(huì)專門以英文的形式進(jìn)行布置。這種中英結(jié)合的形式，不僅能夠提升生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生的專業(yè)水平，了解所學(xué)專業(yè)的發(fā)展前沿，增加學(xué)生對(duì)所學(xué)專業(yè)的自信，也能為學(xué)生大四畢設(shè)查閱外文參考文獻(xiàn)打下基礎(chǔ)，同時(shí)拓寬學(xué)生的就業(yè)選擇范圍。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

目前，市場(chǎng)上流行的圖像處理軟件較多，其中既包括用于處理一般數(shù)字圖像的軟件，如PS（Adobe Photoshop）軟件、3d Max軟件和Matlab軟件等，也包括專門用于處理醫(yī)學(xué)圖像的商業(yè)軟件。為了讓生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的學(xué)生更熟悉本專業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，本課程要求學(xué)生掌握的圖像處理軟件為商用軟件Mimics和Geomagic。這兩款軟件可以對(duì)醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行專業(yè)化分割和重構(gòu)，并能進(jìn)行重構(gòu)后處理，對(duì)于重構(gòu)圖像中出現(xiàn)的幾何缺陷如凹陷、漏洞和漂移的幾何體，進(jìn)行交叉干涉和幾何處理，獲取高質(zhì)量的三維結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)康復(fù)輔具設(shè)計(jì)。本課程設(shè)計(jì)了兩個(gè)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，分別為人體四肢影像的三維重構(gòu)和基于影像個(gè)性化四肢醫(yī)療輔具模型設(shè)計(jì)。通過(guò)第一個(gè)實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生掌握醫(yī)學(xué)圖像重構(gòu)的流程，熟悉軟件大體框架，熟悉三維重構(gòu)的方法；通過(guò)第二個(gè)實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生了解輔具設(shè)計(jì)的發(fā)展方向并初步了解設(shè)計(jì)康復(fù)輔具的基本流程。相對(duì)于利用Matlab軟件進(jìn)行基礎(chǔ)性和驗(yàn)證性的圖像處理實(shí)驗(yàn)，利用Mimics和Geomagic軟件進(jìn)行醫(yī)學(xué)三維重構(gòu)，以及基于圖像的醫(yī)療設(shè)計(jì)能讓學(xué)生對(duì)醫(yī)學(xué)圖像處理的確切應(yīng)用有深刻的了解。

4 多元考核方式

傳統(tǒng)的教學(xué)模式是教師負(fù)責(zé)講、學(xué)生負(fù)責(zé)聽(tīng)，這種模式無(wú)法實(shí)時(shí)捕捉學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，另外學(xué)校限制學(xué)生上課使用手機(jī)的政策也不能嚴(yán)格執(zhí)行。對(duì)于新時(shí)代的大學(xué)生，傳統(tǒng)的教學(xué)模式及其考核方式已經(jīng)不能夠適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展。為了達(dá)到理想的教學(xué)效果，醫(yī)學(xué)圖像處理進(jìn)行了多元化的考核方式，進(jìn)行全過(guò)程量化考核，避免學(xué)生存在平時(shí)上課不重視學(xué)習(xí)質(zhì)量，期末考試突擊學(xué)習(xí)。

4.1 課前檢查

課前要求學(xué)生自學(xué)教師提供的學(xué)習(xí)資料，并在正式上課前完成相應(yīng)章節(jié)的任務(wù)，包括小測(cè)或者是系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其中系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般為分組任務(wù)，并在完成上述任務(wù)后參與主題討論，將自學(xué)后的收獲及進(jìn)一步需要提高的地方進(jìn)行總結(jié)。學(xué)生經(jīng)過(guò)上述一系列的課前學(xué)習(xí)及完成任務(wù)后，在正式上課時(shí)就會(huì)帶著問(wèn)題聽(tīng)課，達(dá)到有的放矢，上課的積極性顯著提高。

4.2 課中提問(wèn)

在課前階段，教師已經(jīng)從任務(wù)的完成情況和主題討論中收集了班級(jí)所有學(xué)生的自學(xué)情況，在正式上課時(shí)會(huì)對(duì)涉及的重難點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)充強(qiáng)化，并針對(duì)學(xué)生存在的共同問(wèn)題設(shè)置特定的問(wèn)題進(jìn)行搶答，鼓勵(lì)學(xué)生在自學(xué)和老師教授完知識(shí)點(diǎn)后再次思考自己課前存在的問(wèn)題，學(xué)生在課上的互動(dòng)情況及回答問(wèn)題的質(zhì)量都將作為課程考核的一部分計(jì)入最終的課程成績(jī)。

4.3 課后小測(cè)

經(jīng)過(guò)課前學(xué)生的自學(xué)和課中教師的講授，學(xué)生對(duì)章節(jié)的學(xué)習(xí)已經(jīng)基本完成，此時(shí)通過(guò)課后的小測(cè)環(huán)節(jié)可以引導(dǎo)學(xué)生再次進(jìn)行知識(shí)的復(fù)習(xí)、鞏固及查漏補(bǔ)缺，本次的小測(cè)成績(jī)可看成是平時(shí)作業(yè)的成績(jī)，至此整個(gè)章節(jié)的課前、課中和課后三個(gè)步驟的考核也基本結(jié)束，通過(guò)分階段、分重點(diǎn)的考核基本上對(duì)學(xué)生的掌握知識(shí)情況有一個(gè)全方位的了解，對(duì)章節(jié)中的疑難點(diǎn)也進(jìn)行了加固，保證學(xué)生的知識(shí)點(diǎn)不存在盲區(qū)及薄弱點(diǎn)。

4.4 實(shí)踐考核

醫(yī)學(xué)圖像處理的最終目的是使生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的學(xué)生能夠把理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐，因此本課程的考核方式中加強(qiáng)了對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)完成情況的考核，包括實(shí)驗(yàn)課的課堂表現(xiàn)情況和實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫情況。其中課堂表現(xiàn)情況是指學(xué)生在給定的時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)的數(shù)量和質(zhì)量，它真實(shí)反映了學(xué)生在課堂中的知識(shí)掌握情況。而實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫情況是指學(xué)生在課后對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的完善、整理、分析及對(duì)思考題的解答情況，它則反映了學(xué)生在課后再次學(xué)習(xí)后對(duì)課上未掌握知識(shí)點(diǎn)的補(bǔ)救效果。

總之，本課程的最終成績(jī)包括了平時(shí)、實(shí)驗(yàn)和期末的紙質(zhì)考試，其中平時(shí)的考核又分為了課前、課中和課后三個(gè)階段的考核，這三項(xiàng)成績(jī)組成從多維度對(duì)學(xué)生的理論知識(shí)掌握程度及實(shí)踐能力進(jìn)行綜合評(píng)估，實(shí)現(xiàn)了多元化考核，這種考核方式能夠避免學(xué)生被動(dòng)接受知識(shí)的情況，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)思考的積極性。

結(jié)語(yǔ)

“醫(yī)學(xué)圖像處理”是生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)本科生必修的核心專業(yè)課，本課程為學(xué)生提供處理醫(yī)學(xué)圖像的能力，為基于圖像的醫(yī)學(xué)分析和高級(jí)應(yīng)用提供基礎(chǔ)。本文從理論教學(xué)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)和考核方式三個(gè)方面對(duì)醫(yī)學(xué)圖像處理這門課進(jìn)行教學(xué)探討。通過(guò)實(shí)踐，學(xué)生對(duì)本課程的理論知識(shí)掌握情況和實(shí)踐能力得到有效提高，教學(xué)效果改善較為明顯。隨著圖像處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，以及教育部對(duì)教學(xué)改革的重視，本課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式的研究也在不斷推陳出新，因此對(duì)于本課程的教學(xué)探討是一項(xiàng)長(zhǎng)期工作，需要我們跟隨時(shí)代步伐，不斷努力，改進(jìn)教學(xué)方式，進(jìn)一步改善教學(xué)效果。

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基金項(xiàng)目：本文系2020年莆田學(xué)院校級(jí)教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（JG202033）；2021年福建省科技廳項(xiàng)目（2021J011108）的研究成果

*通訊作者：鄭敏敏（1988—?），女，漢族，福建莆田人，工學(xué)博士，講師，主要從事生物信號(hào)處理研究。

作者簡(jiǎn)介：林暉（1970—?），男，工學(xué)博士，教授。